基于BIM和UE4的調(diào)蓄池?cái)?shù)字孿生BIM管理系統(tǒng)

曾慶達(dá)，胡 亭，王 煌，王媛媛，秦 菁

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518001)

調(diào)蓄池是在城市發(fā)生降雨時(shí)，收集污染雨水的水工建筑物，是海綿城市建設(shè)的重要內(nèi)容之一。其通過將雨水徑流的高峰流量暫留池內(nèi)并進(jìn)行物理、化學(xué)、生物等方式對(duì)污染物質(zhì)進(jìn)行處理，待降雨峰值過去后再將池內(nèi)水體緩慢排出至河道或是污水處理廠，達(dá)到規(guī)避雨水洪峰，提高雨水利用率的作用[1]。為了適應(yīng)降雨雨量和降雨水質(zhì)的變化，調(diào)蓄池運(yùn)行工況組合復(fù)雜，以往調(diào)蓄池運(yùn)維管理主要通過人為控制，這不僅對(duì)管理人員的運(yùn)維管理經(jīng)驗(yàn)有較大的要求，也較不經(jīng)濟(jì)[2]。因此建成一個(gè)高度自動(dòng)化、智能化的運(yùn)維管理系統(tǒng)是非常必要的。

BIM結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)蓄池的自動(dòng)控制和智能調(diào)度是智慧水務(wù)的必然趨勢[3]。目前市面上常見的運(yùn)維平臺(tái)基本上是基于網(wǎng)頁端進(jìn)行開發(fā)，例如three.js、OpenGL等[4-5]，此類平臺(tái)雖然可以達(dá)到穩(wěn)定性和智能性的需求，但是存在開發(fā)門檻較高、BIM模型不通用、可視化水平不高等問題。

本文調(diào)蓄池BIM模型基于Autodesk平臺(tái)的BIM正向協(xié)同設(shè)計(jì)，結(jié)合EPIC GAMES公司旗下行業(yè)內(nèi)知名游戲引擎Unreal Engine(下文簡稱UE4)，利用datasmith插件將BIM模型及所有附帶信息成果直接導(dǎo)入U(xiǎn)E4中，實(shí)現(xiàn)高水平、高保真的BIM模型三維可視化。通過可視化編程語言Blueprints對(duì)運(yùn)維管理系統(tǒng)進(jìn)行前端開發(fā)，降低開發(fā)人員的編程技術(shù)門檻。后期運(yùn)用C++進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)時(shí)采集調(diào)蓄池內(nèi)傳感器信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法自動(dòng)生成運(yùn)維管理方案，為管理者運(yùn)維管理決策提供參考。

1 基本理論

BIM(Building Information Model)即建筑信息模型，其核心是將建筑工程全生命周期中所有的信息整合到模型中，形成一個(gè)與現(xiàn)實(shí)建筑情況一致的三維模型信息庫[6]。其中信息不僅包括建筑構(gòu)件的幾何、專業(yè)等信息，還包含了空間、運(yùn)動(dòng)行為等狀態(tài)信息。借助三維模型可以極大程度地提高建筑工程的信息集成水平，使建筑工程可以在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期中產(chǎn)生的信息都得以統(tǒng)籌管理[7]。

Autodesk平臺(tái)的BIM軟件主要包括Revit、Inventor、Navisworks、Inforworks、Civil3D、Vault等，其解決方案是分專業(yè)采用Revit、Inventor、Civil3D等進(jìn)行建模，各專業(yè)通過Vault平臺(tái)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)完成后利用Revit、Navisworks進(jìn)行模型整合，Navisworks還可以用于施工模擬、碰撞檢查等[8]，見圖1。

圖1 Autodesk平臺(tái)的BIM解決方案

游戲引擎最初是為游戲工作者打造的工具集，其目的是為游戲設(shè)計(jì)者提供各種編寫游戲的各種工具，加快游戲制作速度和質(zhì)量。游戲引擎主要包括渲染引擎、物理引擎、碰撞檢測系統(tǒng)、動(dòng)畫、網(wǎng)絡(luò)引擎等[9]。而Unreal Engine作為全球先進(jìn)、開放的實(shí)時(shí)3D創(chuàng)作平臺(tái)，優(yōu)秀的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)、可視化編程和開源性給水務(wù)工程師在智慧水務(wù)領(lǐng)域提供了無限可能。

數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對(duì)應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程[10]。數(shù)字孿生最早由美國國防部提出，運(yùn)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障[11]，目前已發(fā)展為一個(gè)普遍適應(yīng)的理論技術(shù)體系，可應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，其中就包括了水務(wù)工程建設(shè)領(lǐng)域。

2 調(diào)蓄池BIM解決方案介紹

隨著城市的快速發(fā)展，深圳的環(huán)境承載力天生不足問題日益突出，超過80%的用水依靠外部輸入，黑臭水體及城市內(nèi)澇問題突出，水生態(tài)破壞嚴(yán)重。自2016年深圳入選海綿城市建設(shè)試點(diǎn)以來，全市開展海綿城市建設(shè)，推行以生態(tài)環(huán)境優(yōu)先為原則的新型城市建設(shè)[12]。2019年提出在龍崗區(qū)龍崗河末端建設(shè)調(diào)蓄池，調(diào)蓄池總占地75 173 m2，調(diào)蓄范圍為龍崗河干流區(qū)間及各子流域轉(zhuǎn)輸?shù)某跣∮?，調(diào)蓄服務(wù)面積24.95 km2，調(diào)蓄池容積位于亞洲前列，是深圳市海綿城市建設(shè)的重要工程。

本工程采用基于Vault協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，項(xiàng)目復(fù)雜、涉及專業(yè)眾多，包括建筑、水工、金結(jié)、工藝、巖土、電氣等，各專業(yè)在Vault平臺(tái)中高效協(xié)同，很大程度縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

調(diào)蓄池BIM解決方案主要是采用Civil3D進(jìn)行三維地質(zhì)建模，Revit進(jìn)行水工、建筑、暖通、電氣、給排水建模，Inventor進(jìn)行金結(jié)，工藝建模，后期在Revit、Navisworks中進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)碰撞檢查，在施工階段實(shí)現(xiàn)4D施工模擬。BIM整合模型見圖2。

此外，在末端調(diào)蓄池設(shè)計(jì)階段，利用參數(shù)化族對(duì)閘門、格柵、流道等進(jìn)行參數(shù)化建模，利用Dynamo對(duì)錨桿、地質(zhì)層等進(jìn)行批量建模，極大提高了設(shè)計(jì)效率。并且在龍崗河其余6個(gè)調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了普遍適用性，為日后類似調(diào)蓄池設(shè)計(jì)提供了參考。

然而目前關(guān)于BIM的應(yīng)用主要集中在設(shè)計(jì)及施工階段，項(xiàng)目建成后運(yùn)維管理階段BIM應(yīng)用領(lǐng)域較為空白，因此為實(shí)現(xiàn)將BIM技術(shù)應(yīng)用于項(xiàng)目的全生命周期，急需一種運(yùn)維BIM解決方案。

3 基于BIM和UE4的數(shù)字孿生BIM平臺(tái)搭建

UE4的實(shí)時(shí)渲染可視化是區(qū)別于其他平臺(tái)最明顯的功能，傳統(tǒng)優(yōu)秀的三維可視化一般需要應(yīng)用3Dmax、Maya、Sketch up進(jìn)行建模后渲染，但是此類靜態(tài)渲染方式效率低，且方案修改困難[13]。雖然Autodesk BIM建筑工作集本身具有渲染功能，如Revit、Navisworks等，理論上可以省去建模部分，提高效率，但實(shí)際上受限于渲染器技術(shù)水平，可視化水平較差。隨著技術(shù)進(jìn)步，基于GPU的實(shí)時(shí)渲染軟件進(jìn)入市場，例如Lumion、Twinmotion等，這些軟件具有優(yōu)秀的可視化水平[14-15]，但不支持二次開發(fā)，僅僅能輸出像素級(jí)的效果圖和動(dòng)畫，無法與智慧水務(wù)進(jìn)行結(jié)合。

本文的解決方法是基于UE4進(jìn)行數(shù)字孿生BIM平臺(tái)的開發(fā)，其優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：①BIM信息完整性，BIM模型通過Datasmith導(dǎo)入U(xiǎn)E4中，可保留模型集成的所有信息，保證數(shù)據(jù)完整性；②優(yōu)秀的實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，UE4內(nèi)置實(shí)時(shí)渲染引擎與建筑行業(yè)內(nèi)常用的Twinmotion渲染引擎一致，模型導(dǎo)入后可以通過調(diào)整材質(zhì)、光照等實(shí)現(xiàn)高水平、高保真的渲染水平；③可視化編程，UE4內(nèi)部采用Blueprints藍(lán)圖可視化編程技術(shù)，降低了軟件開發(fā)門檻，普通水務(wù)工程人員在經(jīng)過短暫培訓(xùn)后便可達(dá)到編寫平臺(tái)大部分功能的水平；④二次開發(fā)，UE4是完全開源的，代碼是開放的，且內(nèi)置了C++、Python等語言開發(fā)接口，為后期實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化控制等功能開發(fā)提供了極大的便捷性；⑤豐富的資源庫，UE4中內(nèi)置了Quixel，模型導(dǎo)入后可以在資源庫中選取水、混凝土等高保真材質(zhì)，以及道路、草木、路燈等模型，方便場地布置。

數(shù)字孿生調(diào)控系統(tǒng)搭建解決方案主要是采用Datasmith插件將BIM模型導(dǎo)入U(xiǎn)E4中，不僅保留模型信息并且對(duì)模型進(jìn)行高保真實(shí)時(shí)渲染。采用Cesium for UE4插件將項(xiàng)目GIS信息與BIM模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)BIM+GIS系統(tǒng)的搭建，利用可視化編程Blueprint對(duì)系統(tǒng)前端功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)界面見圖3，關(guān)卡藍(lán)圖邏輯見圖4。

圖3 調(diào)蓄池?cái)?shù)字孿生BIM管理系統(tǒng)界面

圖4 系統(tǒng)前端功能設(shè)計(jì)藍(lán)圖

由于UE4中不能直接制作可視化圖表，因此利用UE4強(qiáng)大的擴(kuò)展功能，利用C++語言將Echarts可視化圖表聯(lián)動(dòng)到UE4中，可以在平臺(tái)中實(shí)時(shí)讀取圖表數(shù)據(jù)，見圖5。

圖5 UE4聯(lián)動(dòng)Echarts代碼

而現(xiàn)場傳感器信號(hào)傳輸至云服務(wù)器端，利用代碼讀取云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)在UE4中實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境情況與三維模型聯(lián)動(dòng)起來，可以將故障傳感器在平臺(tái)中顯示并預(yù)警，見圖6。

圖6 設(shè)備運(yùn)行管理界面

后期結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，可以對(duì)降雨量進(jìn)行預(yù)測，自動(dòng)提供調(diào)蓄池運(yùn)行管理方案，輔助管理人員對(duì)調(diào)蓄池運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)行工況管理界面見圖7。

圖7 運(yùn)行工況管理界面

項(xiàng)目制作完成后，可以將項(xiàng)目進(jìn)行發(fā)布到市面上大部分主流硬件設(shè)備，包括PC端、移動(dòng)端、網(wǎng)頁端等，例如Android、Desktop(win+linux+mac)、HTML5、IOS等多個(gè)平臺(tái)，為管理人員隨時(shí)隨地進(jìn)行調(diào)蓄池智慧運(yùn)維提供了可能。并且UE4還支持VRAR功能開發(fā)，未來可以進(jìn)一步提高三維模型可視化水平。

以上解決方案通過UE4軟件及各類插件、C++二次開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能、VR/AR等技術(shù)，成功開發(fā)了調(diào)蓄池?cái)?shù)字孿生BIM管理系統(tǒng)。未來還將引入新技術(shù)和新算法，對(duì)調(diào)蓄池?cái)?shù)字孿生管理系統(tǒng)不斷完善，將遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、智能分析、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)更好地集成在平臺(tái)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)調(diào)蓄池智慧水務(wù)運(yùn)維管理，從而推動(dòng)BIM技術(shù)在運(yùn)維管理階段的應(yīng)用，使BIM應(yīng)用在全生命周期形成閉環(huán)。

4 結(jié)語

采用BIM和UE4技術(shù)對(duì)調(diào)蓄池?cái)?shù)字孿生管理系統(tǒng)進(jìn)行搭建，通過結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和二次開發(fā)將現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)字孿生BIM管理系統(tǒng)中，從而在管理系統(tǒng)中反映現(xiàn)實(shí)情況。并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、預(yù)測，自動(dòng)提供調(diào)蓄池運(yùn)維管理方案，為管理者提供決策參考。通過以上技術(shù)，管理者可以在管理系統(tǒng)中遠(yuǎn)程控制現(xiàn)實(shí)設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)智慧水務(wù)運(yùn)維管理。本文將BIM技術(shù)與UE4游戲引擎進(jìn)行結(jié)合，成功地將BIM應(yīng)用高水平地?cái)U(kuò)展至水務(wù)工程運(yùn)維管理階段，實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)在龍崗河末端調(diào)蓄池全生命周期的運(yùn)用。但仍有不足之處，例如網(wǎng)頁端平臺(tái)依靠像素流技術(shù)進(jìn)行發(fā)布，無法實(shí)現(xiàn)超過5人的協(xié)同運(yùn)維管理，系統(tǒng)開發(fā)難度大，對(duì)每個(gè)工程都需要客制化開發(fā)，開發(fā)設(shè)備昂貴等。但隨著BIM技術(shù)和UE4游戲引擎的不斷發(fā)展，這套BIM運(yùn)維管理方案一定能為其余工程BIM應(yīng)用提供參考，使之發(fā)揮更大價(jià)值。